¿Por qué una capa límite turbulenta causa más fricción que una capa límite laminar?

No, un número de Reynolds más alto solo significa una relación más baja entre las fuerzas viscosas y las de inercia. Dado que aumenta el número de Reynolds al aumentar la velocidad o la longitud, ambos aumentarán las fuerzas de inercia, lo que hará que las fuerzas de fricción sean relativamente más bajas.

Hagamos un experimento de Gedanken: considere una placa plana infinitamente delgada que se mueve a través del aire en su dirección longitudinal, por lo que no hay gradiente de presión a lo largo de la trayectoria del flujo. La fuerza de fricción causada por la capa límite es F. Ahora agregue algo de longitud en el borde de salida de la placa. La superficie agregada agregará un poco más de arrastre F', por lo que el arrastre total será F + F', siendo ambos positivos. Dado que la longitud ha aumentado, el número de Reynolds del flujo ha aumentado de la misma manera, pero también lo ha hecho la fuerza de fricción.

Sin embargo, lo que ha disminuido es el coeficiente de fricción, porque la capa límite más gruesa hacia el final de la placa plana causará menos fuerza de fricción por unidad de longitud. El coeficiente se calcula dividiendo la fuerza por la presión dinámica y el área superficial, y dado que el área superficial ha aumentado más que la resistencia, el coeficiente de fricción es menor.

Puede repetir el experimento con un aumento de la velocidad del flujo, y ahora la fuerza de fricción también aumentará. Entonces, ambas formas de aumentar el número de Reynolds aumentarán el arrastre por fricción. Nuevamente, el aumento de la resistencia es menor en relación con el aumento de la presión dinámica porque la capa límite a mayor velocidad es más delgada y, nuevamente, solo el coeficiente de fricción es menor.

Solo ahora, cuando eso está fuera del camino, quiero responder a su pregunta directamente: si compara capas límite totalmente turbulentas, un aumento en el número de Reynolds reducirá el coeficiente de arrastre pero aumentará el arrastre por fricción como se describe anteriormente.

Ahora compare dos flujos completamente laminares similares en dos números de Reynolds diferentes, y nuevamente el flujo con el número de Reynolds más alto experimentará más arrastre por fricción. Los diferentes perfiles de velocidad de sus respectivas capas límite solo serán significativos cuando compare un flujo laminar con un flujo turbulento con el mismo número de Reynolds o uno similar. En el rango de los números de Reynolds típicos de las aeronaves, el flujo turbulento causará más arrastre por fricción.

Si ahora repite el experimento Gedanken inicial con una capa límite laminar y agrega algo de longitud en un punto donde el número de Reynolds local está seguro por encima de 500 000, el flujo local ya habrá pasado a turbulento y la longitud agregada agregará una porción completamente turbulenta. Ahora puede suceder que la superficie añadida experimente más arrastre por unidad de área que la superficie delantera, en su mayoría laminar. El resultado es tanto un mayor arrastre por fricción como un mayor coeficiente de fricción.

Si me permite copiar la ilustración de esta respuesta aquí, el efecto se puede ver fácilmente:

Coeficiente de arrastre por fricción sobre la cuerda para un perfil aerodinámico E502mod a 3° AoA. Azul: superficie superior, rojo: superficie inferior.

Ahora bien, esta gráfica utiliza un perfil aerodinámico real con un coeficiente de presión cambiante sobre la longitud, pero con una placa plana, la gráfica se vería similar. El gradiente de velocidad local mucho más alto en la superficie de la capa límite en la parte posterior agregará mucha más resistencia por longitud y la resistencia total aumentará desproporcionadamente. Sin embargo, no se ve por ningún lado una disminución de la resistencia al aumentar los números de Reynolds.

Buena pregunta.

La cosa está en los perfiles de velocidad para capas límite laminares y turbulentas. Veamos la imagen de abajo. Los perfiles son poco diferentes. El perfil turbulento es "más grueso" o más completo que el perfil laminar. Para el perfil turbulento, desde el borde exterior hasta un punto cerca de la superficie, la velocidad permanece razonablemente cerca de la velocidad de la corriente libre, luego decrece rápidamente a cero en la superficie. Por el contrario, el perfil de velocidad laminar disminuye gradualmente hasta cero desde el borde exterior hasta la superficie.

La clave ahora está en el esfuerzo cortante de la pared. Más tensión de cizallamiento da como resultado un mayor arrastre por fricción de la piel. El esfuerzo cortante de la pared se define como el producto del coeficiente de viscosidad [mu] y el gradiente de velocidad en la pared [(dV/dy) en y=0], que es el recíproco de la pendiente de las curvas en la superficie. Está claro que el gradiente de velocidad cerca de la superficie para el flujo laminar es menor que para el turbulento, por lo que el esfuerzo cortante de la pared para el flujo laminar es menor que para el turbulento.

Esto significa que el flujo laminar tiene menor fricción superficial que el flujo turbulento debido a las velocidades más rápidas cerca de la superficie.

La razón básica es que la energía para crear la turbulencia proviene en primer lugar del movimiento hacia adelante del avión o vehículo aéreo.